水蒸気を燃料とするブラインの設計

Dec 12, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13999 (2022) この記事を引用

1338 アクセス

1 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

水蒸気は、絹の繭、人毛、ジュート、トウモロコシの絹の電気伝導率を高めます。 この現象は不明です。 本研究では、繭の XPS 分析により、水蒸気が低エネルギー炭素種 (C-C、C-H) の表面存在を減少させることが示されました。 対照的に、電子密度の高い高エネルギー炭素種 (C-N、C=C、C=O) は変化せず、おそらく表面電荷ホッピングを強化したと考えられます。 水蒸気は伝導を改善しますが、電荷キャリアが欠乏すると効果が減少します。 繭を食塩（NaCl）の水溶液に浸して電流を増幅することで電荷担体を増やします。 塩処理に続いて水蒸気に 2 分間さらすと、ベースライン (0.06 ± 0.02 mA、n = 12) から電流が急激に上昇します (3.6 ± 1.07 mA、n = 12; 平均 ± SE)。 1 時間後、平均値は 0.39 ± 0.12 mA を維持します。 n = 12、ベースラインの上方シフトを示します。 繭が水蒸気で充電されるたびに、繭が乾いた後に次の充電サイクルが開始されます。 繭の生態に着想を得て、繭電池の急速充電と放電のための「水蒸気と乾燥空気」の交互サイクルを実証します。 最後に、湿った廃熱が発電する「塩水絹繭タンパク質バイオバッテリー」を使用した、未来の住宅向けの自発光ケトルと水蒸気パネルのプロトタイプを設計しました。

細胞内に存在する膜タンパク質は、未来のエネルギーハーベスティングおよび蓄電デバイスのバイオ製造のバイオ インスピレーションです 1,2。 このようなデバイスの設計と製造に固有の課題は、そのようなタンパク質の単離の複雑さと保存期間の短さです。 私たちは、これらの課題を予測するために、天然に存在する丈夫なタンパク質膜の絹繭を使って問題に取り組みました3。

絹の繭は鱗翅目の昆虫によって形成されるタンパク質の膜です。 鱗翅目昆虫には、卵、幼虫、蛹、成虫という典型的な 4 段階のライフサイクルがあります。 成虫が卵を産み、孵化すると幼虫が出現します。 幼虫は貪欲に植物の葉を食べ、シルクと呼ばれるタンパク質が豊富な粘稠な唾液を大量に分泌します。 この絹のような液体を自分の体の周りに回転させ、密接に保護する繭室を形成しました。 それは、昆虫の一生における蛹期（休眠期または休眠期）の始まりを示します。 世界の温帯地域で見られる特定の種類の線虫では、この段階は 21 日から 9 か月まで変化します。 この自己誘発休眠が完了すると、成虫の蛾が繭から出てきます。 このプロセス全体が変態です4,5。

繭は周囲温度を維持し、繭の外への二酸化炭素の拡散を選択的に促進する保育器です5。 発育中の蛹を直射日光、雨、風、温室効果から守ります6、7、8。 シルクタンパク質膜の外側から内側に向​​かって孔径が小さくなることにより、絹繭内部への水の浸入が防止され、防水性の膜になります9,10,11。 厳しい紫外線は、絹繭の外表面に存在する抗酸化紫外線保護化合物によって繭の表面で吸収されます6、7、8、12。 絹の繭はその軟磁性機能を通じて重力を感知し、蛹の健全な発育をサポートします13。

以前に、絹繭の温度調節は、ゼーベック、ペルチェ、およびトムソンのような効果を含む熱電現象であると提案されています 5,10,11,12,14,15,16。 絹繭の外面と内面の間の構造の非対称性は、この考えをさらに強化します5。 私たちは、絹の繭膜を 2 つの電極の間に置き、水蒸気にさらすと、LED に電力を供給する電流を生成することを発見しました。 水蒸気をオフにするとLEDは点灯しなくなります。 乾燥した繭は、湿気のない空気にさらされると、認識できる電流を生成できません。 湿った絹の繭は、DC 電源で充電すると、コンデンサーのように短時間だけ電荷を保持できます 10,11。 絹繭内の電荷キャリアは、熱と湿気によって活性化される、水を媒介したポーラロンのような荷電複合体です16。 繭の熱電特性に関する新たなテーマの 1 つは、既知の固体熱電材料とは異なり、タンパク質の分子間空間に水分子の必要性です。 したがって、それは湿った熱電材料です10、11、12、14、15、16。 この研究の基本理念は、絹繭の湿った熱電特性を利用して、水蒸気を止めた後でも長期間電力を供給でき、広大な気象条件下で機能する絹タンパク質エネルギー装置を開発することである。

したがって、シルクタンパク質エネルギーデバイスを製造するための作業仮説を立てるために、最初にシルク繭の電気に不可欠な 2 つの前提条件、つまり水と熱を考慮します。 水は絹繭タンパク質の主鎖と側鎖を活性化します。 同時に、熱はタンパク質を取り囲む水の水素結合ネットワークを乱し、水を介したポーラロン様の荷電複合体の流れを引き起こします16。 そこで、我々は、シルクと水の複合体に追加のイオン電荷キャリアを追加すると、長期間にわたって電気出力が増加し、シルクタンパク質の表面特性が変化する可能性があると仮説を立てています。 生体系のタンパク質は塩水の豊富な細胞外液で機能し、地球の貯水池の中で最も豊富な塩であるため、電荷担体として塩化ナトリウム (NaCl) を選択しました。

インドのオリッサ州とチャッティースガル州からカイコの繭を調達しました。 繭を日光で乾燥させて、中に蛹が残らないようにした後、送風乾燥してほこりを取り除き、その後使用するために木製のキャビネットに保管しました（図1a、b）。 補足セクションでは、水蒸気を燃料とする塩水絹繭タンパク質バイオ電池の製造プロセスを説明するビデオ (Video DIY) をご用意しています。

蚕繭バイオバッテリーの材料。 (a) 生のカイコ蚕繭。 繭を切り開くと、繭の内側と外側の表面が明らかに異なり、質感が明らかに異なります。 (b) 絹繭電池のすべてのコンポーネント。 2枚のスライドガラスを貼り合わせたもの。 寸法 1.1 cm * 2.5 cm のシルク繭片。 アルミニウムシートから切り出された32ゲージのアルミニウム電極。 銅電極用の高純度 1.12 m 銅線 (32 AWG)。 断熱スリーブ。 (c) アルミニウム電極をスライドガラス上に置きます。 （ｄ）繭片の内面をアルミニウム電極に面して配置する（点線の矢印で示す）。 (e) デバイスは電位計に接続し、取得システムにデータを記録します。 補足セクションでは、水蒸気を燃料とする塩水絹繭タンパク質バイオ電池の製造プロセスを説明するビデオ (Video DIY) をご用意しています。

絹繭片（図 1b）を NaCl 水溶液に浸しました。 12.5 gのNaClを加え、これに25 mlの再蒸留水を加えます。 これらの溶液のそれぞれに、16 個の絹繭を加え、24 時間浸しておきます。 補足資料 (補足資料の表 1) では、NaCl の用量の最適化について説明しています。 絹繭片を再蒸留水で 24 時間湿らせて、NaCl フリーのデバイスを準備します。 他の塩との比較のために、NaCl デバイスを設計した方法で KCl デバイスを準備しました (蒸留水処理デバイスに対する NaCl 対 KCl デバイスの電気的値の比較については補足資料の補足セクション表 2 を参照)。

図１〜図４において、 図1と図2では、蚕繭バイオバッテリーを作るための材料と手順をすべて示しました。 1 つの装置を作るのに、8 個のカイコの繭が必要です。 過去 12 年間の研究で複数回の試行を経て、経験的には 8 個の繭を使用することに到達しました。 以前は、1 個、2 個、4 個、8 個の繭を使用してデバイスを作成しました。 多数の充放電サイクルにより、8 ピースのデバイスは適切に保管されていれば 1 ～ 6 か月の長期間にわたって機能することがわかります。 技術発見段階にあるため、デバイスのプロトタイプの開発に 8 個の繭を使用することにしました。 繭を8個得るには、繭を4個使用します。 各繭から、デバイス用に 2 つの部分を取得します。 単一のデバイスは、直列に接続された 8 つの個別の電気化学セルで構成されます (図 2a)。 各電気化学セルは、特定の繭片の内面にアルミニウム電極 (2.4 cm * 1 cm) を配置し、繭の外面に沿って銅線を巻き付けることによって製造されます。 したがって、繭片はアルミニウムと銅の電極の間に残ります。 デバイスをスライドガラス上にマウントします。 8 つの電気化学ユニットを直列回路に接続し、銅端子 (プラス) とアルミニウム端子 (マイナス) が緑色の発光ダイオード (LED) に電力を供給します。 図 2b、c には、水蒸気への曝露と乾燥サイクルのための装置と社内セットアップの写真が示されています。

蚕繭バイオバッテリーの作り方。 (a) 直列回路に接続された 8 つのシルク電気化学セル。 (b) 蚕繭バイオバッテリーの配列。 (c) 丸底フラスコからの沸騰した水によって水蒸気が供給されます。 デバイスの表面温度は約 55 ～ 60°です。 (d) ヘアドライヤーは乾燥した空気を吹き付けて、デバイスから水分を蒸発させます。 すべての実験において、デバイスは 2 分間水蒸気にさらされます。

すべての電気記録は、ケースレーの 5 1/2 桁モデル 6517B 電位計/高抵抗計 (Keithley Instruments, Inc. 28775、Aurora Road、Cleveland、Ohio、44139、USA; http://www.keithley.com/company) で実行されます。

FEI Inc XPS モデルの PHI 5000 Versa Prob II を使用して X 線光電子スペクトルを撮影しました。

平均値は平均値 ± 標準誤差として表され、n はデバイスの数を表します。 グラフのプロットと統計分析には Prism 9 ソフトウェアを使用します。

図 3 に、シルクバイオバッテリーの基本的な電気特性を示します。 図3aでは、それぞれ蒸留水とNaClに浸した繭から作られた繭装置によって生成された電流の2つの代表的なトレースを示しています。 ベースライン電流は、NaCl に浸したコクーン デバイスの方が高くなります。 2 分間水蒸気にさらされるとすぐに、電流はベースラインから急激に増加し、ピークに達した後、低下し始めます。 最終的に、電流はどちらの種類のデバイスでもベースライン値よりも高い安定した値に達します。 次に、両方のタイプのデバイスから生成されるベースライン、ピーク、および 1 時間後の電流値を定量化しました (図 3b)。 蒸留水および NaCl に浸したデバイスの平均ベースライン電流値は 9.33e-06 ± 6.24e-06 mA です。 n = 6 および 0.06 ± 0.02 mA; それぞれ n = 12 (平均電流 ± 標準誤差、n = テストされたデバイスの数)。 蒸留水および NaCl に浸したデバイスの平均ピーク電流値は 0.014 ± 0.003 mA です。 n = 6 および 3.63 ± 1.07 mA; それぞれ n = 12。 したがって、NaCl に浸したデバイスの平均ピーク電流値は、蒸留水に浸したコクーン デバイスの約 259 倍になります。 1 時間後、蒸留水と NaCl に浸したデバイスの平均電流値は 0.002 ± 0.0001 mA です。 n = 6 および 0.39 ± 0.10 mA; それぞれ n = 12。 NaCl デバイスのベースラインと 1 時間後の電流を比較すると、5 倍の増加がわかります。 したがって、水蒸気にさらされると膜が帯電すると結論付けられます。 NaCl デバイスと KCl デバイスの電気的値の比較については、補足セクションを参照してください。

絹繭デバイスの電気的特性。 (a) 蒸留水に浸した繭と NaCl に浸した繭から調製したデバイスからの代表的な電流トレースを比較します。 現在の値は、-1*Log (y) スケールで表示されます。 青い矢印は、水蒸気への 2 分間の曝露を示します。 (b) 蒸留水に浸したコクーンデバイスと NaCl に浸したコクーンデバイスのベースライン、ピーク、および 1 時間後の電流値を比較します。 (c) 蒸留水に浸した繭と NaCl に浸した繭から調製したデバイスの代表的な電圧トレースを比較します。 （d）蒸留水に浸したコクーンデバイスとNaClに浸したコクーンデバイスのベースライン、ピーク、および1時間後の電圧値を比較します。

図 3c は、蒸留水から作られた繭デバイスと NaCl に浸した繭の代表的な電圧トレースを示しています。 どちらの場合も、電圧の鋭いピークが観察されます。 蒸留水と NaCl に浸した繭から作られた繭デバイスの平均ピーク電圧は 4.8 ± 0.49 V です。 n = 6 および 4.9 ± 0.22 V。 それぞれn = 6。 電流値の急激な差とは異なり、同様のピーク電圧を示します（図3d）。 蒸留水に浸したデバイスのベースライン電圧は、NaCl に浸したデバイス (4.33 ± 0.30 V、n = 6) よりもはるかに低くなります (0.54 ± 0.12 V、n = 6)。 蒸留水に浸したデバイスの場合、水蒸気にさらされると、はるかに急激な電圧変化が観察されます。 蒸留水に浸したデバイスと NaCl に浸したデバイスの 1 時間後の電圧は 1.7 ± 0.36 V です。 n = 6 および 4.0 ± 0.22 V。 それぞれ n = 6。 NaCl に浸したデバイスのベースライン電圧と 1 時間後の電圧はほとんど変化していないことがわかります。

次の一連の実験では、NaCl に浸したコクーン デバイスの充放電特性を研究しました。 図4aでは、デバイスが13時間動作したときの充放電サイクルの代表的な電流トレースを示しています。 サイクルの開始時に、デバイスに水蒸気が充填され、その後、それぞれ 4.7 時間と 12.5 時間の 2 つの時点で水蒸気が再充填されます。 デバイスは充電サイクルごとに乾燥します。 デバイスがサイクルするにつれて、ピーク電流出力が増加することがわかります。 3 つの充電ポイントのピーク電流はそれぞれ 4.8 mA、7.8 mA、9.3 mA です。 システムを再充電するには、システムが乾燥する必要があります。 膜の急速乾燥の効果を確認するために、膜を水蒸気にさらした直後に、乾燥空気の流れを 1 分間吹き付けて乾燥を促進します。 図 4b は代表的な電流トレースで構成されており、デバイスに水蒸気を充填し、その後 1 分間の乾燥サイクルを行っています。 27.7 時間の記録を実施しました (図 4b)。 図 4c に示すように、デバイスを乾燥させるとシステムをすぐに再充電できます。 図 4d、e は、水蒸気と乾燥サイクル後にベースライン電流が著しく増加することを示しています。

NaCl浸漬繭装置の充放電機能。 (a) 3 回の充電サイクルでの 13 時間の代表的な電流トレース。 青い矢印は水蒸気への曝露時間を示します。 (b) 断続的な水蒸気と急速乾燥サイクルを伴う 27.7 時間の代表的な電流トレース。 色付きのゾーンはサイクルを示します。 (c) 最初の色の影付きゾーンの拡大画像。 この装置には 3 回水蒸気が吹き込まれ、送風機で乾燥されます (オレンジ色の矢印は乾燥空気を示します)。 (d) 2 番目の色付きの影付きゾーンの拡大画像。 この装置に水蒸気を一度注入し、ブロワーで乾燥させます。 (e) 電流トレース上の拡大画像は、ベースライン電流が増加したことを示しています。

X 線光電子分光法 (XPS) を使用して繭の表面を分析しました。 図５、６および表１はデータを要約したものである。 図5a〜cに示すように、繭の表面上の炭素、窒素、酸素の全体的な存在は、濡れると減少し（図5b）、水蒸気にさらされるとわずかに回復します（図5c）。 C1 の狭いスペクトルをさらに詳しく調査すると、図 1 と図 2 では、C1 の狭いスペクトルが得られます。 5d–f では、表面上の炭素の低結合エネルギー種の存在が、湿潤により減少し、さらに水蒸気にさらされると減少することが観察されました。 窒素と酸素の狭スペクトルは、表面種の減少と水蒸気への曝露によるそれらの回復の同様の傾向を示します（図5g-l）。 したがって、表に示すように、乾燥状態の C:N:O 表面組成は 4:1:2.5 です。 湿った状態では 2.64:0.55:1.71、水蒸気にさらすと 3.0:0.99:2.57 になります。 C:N:O 比の変化は膜の再組織化の証拠であり、湿潤により元々硬い膜が柔らかくなります。 エネルギーが豊富な水蒸気にさらされると、電荷を伝導する分子ワイヤーとして機能する C-N、C=O、OCNH2 種などの電子が豊富な種の整列が促進されます。 したがって、この生体膜は、エネルギー豊富な水分子との相互作用により、低伝導性のマトリックスから伝導性のマトリックスへの変換を示すプログラム可能な物質です。 図 5m–o は、Na1s のベースライン スペクトルを示しています。

乾燥した絹繭、水に浸した絹繭、水に浸して水蒸気にさらした絹繭の代表的な XPS スペクトル。 乾燥繭の調査スペクトル。 青、緑、黄色の XPS ピークは、結合エネルギーの最低値から最高値までをコード化します。 対応する結合エネルギー値とそれぞれの色分けを表 1 (a)、水に浸した絹繭 (b)、水に浸して水蒸気にさらした絹繭 (c) に示します。 乾燥絹繭 (d)、水に浸漬した絹繭 (e)、水に浸漬し、水蒸気に曝露した絹繭 (f) の比較 C1s スペクトル。 乾燥絹繭 (g)、水に浸漬した絹繭 (h)、水に浸漬し、水蒸気に曝露した絹繭 (i) の N1s スペクトルの比較。 乾燥絹繭 (j)、水に浸漬した絹繭 (k)、水に浸漬し、水蒸気に曝露した絹繭 (l) の O1s スペクトルの比較。 乾燥した絹繭 (m)、水に浸した絹繭 (n)、水に浸した絹繭、および水蒸気にさらした絹繭 (o) の Na スペクトルの比較。

NaCl との相互作用による絹繭表面組成の変化を観察するための XPS スペクトル。 青、緑、黄色の XPS ピークは、結合エネルギーの最低値から最高値までをコード化します。 対応する結合エネルギー値とそれぞれの色分けを表 1 に示します。NaCl 水溶液に浸した繭の XPS、(a) サーベイ スペクトル、(b) C1s スペクトル、(c) N1s スペクトル、(d) O1s スペクトル、(e) Cl2p スペクトル、(f) Na1s スペクトル。 NaCl水溶液に浸し、水蒸気に曝露した繭のXPSスペクトル、(g) 調査スペクトル、(h) C1sスペクトル。 (i) N1s スペクトル、(j) O1s スペクトル、(k) Cl2p スペクトル、(l) Na1s スペクトル。

次に、電荷担体を増やすために繭に NaCl を加えます。 NaClを絹繭に導入したときの表面の化学変化を理解するために、詳細なXPS分析（図6a〜l）を実施しました。 図 6a、g は、NaCl に浸した繭および NaCl に浸し、さらに水蒸気に曝露した繭の調査スペクトルを示しています。 NaClに浸した繭では、水蒸気にさらされると炭素の表面組成が減少し、窒素と酸素が増加します。これは、膜の構造の再プログラミングを示しています（図6b-d、h-j）。 酸素の狭いスペクトルでは、530 eV のピークが格子酸素に対応します。 一方、533.5 eV の 2 番目のピークは、酸化物が水に露出していることを示しており、解離性の吸着水分子または表面ヒドロキシルを示しています。 XPS は表面の上部 10 nm 未満の元素組成を評価する表面分析技術であるため、ナトリウムと塩化物の存在が大幅に減少すると、これらの元素が水蒸気にさらされると膜に浸透することがわかります（図 6e、図 6e、 f、k、l）。 ナトリウムイオンと塩化物イオンがタンパク質の骨格内に浸透すると、導電性の架橋が形成され、その結果コンダクタンスが増加する可能性があります。 塩化ナトリウムを添加すると基礎コンダクタンスは増加しますが、膜は依然としてその本来の特徴を維持しています。 さまざまなピークに割り当てられたすべての値を表 1 に示します。

トーマス・ニューコメンとジェームス・ワットによる 17 世紀の蒸気エンジンの発見を基に、湿った廃熱を利用した「塩水絹繭タンパク質バイオバッテリー」を使用した未来の住宅向けの自発光式ケトルと水蒸気パネルのプロトタイプを開発しました。電気を生成します。

最初のデバイスでは、やかんによって生成される廃熱をデバイスの電力供給に使用できることを提案します (図 7a ～ d、補足ビデオ S1)。 デバイスをやかんの口に置き、最初に 2 分間水蒸気にさらした後、デバイスを取り外します。 デバイスの出力は、緑色に光る発光ダイオードの形で見られるように、次の 24 時間にわたって低電流を生成します。 同様に、住宅のモデルプロトタイプに、底部から水蒸気にさらされる一連のデバイスを配置しました（図8a〜c、補足ビデオS2）。 一連のライトは長時間動作し続けます。 これらのプロトタイプは、廃熱を利用して使用可能な電力を生成する例です。

自動で光るケトル。 (a) セットアップは、やかんの口にあるデバイスを示しています。 (b) 水蒸気にさらされた後の LED の点灯。 (c) 光る LED と水蒸気の凝縮の拡大図。 (d) 水蒸気源から取り外した後のデバイス。

未来的な住宅のための水蒸気パネル。 (a) セットアップは、「塩水絹繭タンパク質バイオバッテリー」で構成されたパネルを備えたモデルハウスのプロトタイプを示しています。 (b) パネルは底部から水蒸気を受け取ります。 屋根の上に見える光る装置。 (c) モデルハウスの屋根にある明るく光る装置。

シルクバイオバッテリーの基本概念と基本メカニズムは、シルク繭の非対称多孔質構造に根ざしています。 分子細孔のサイズは外表面で顕著で、内表面に近づくにつれて狭くなります。 絹の繭膜内の細孔の断面は、内側に向かって細くなる先細のパイプ状の形状に似ています。 私たちの以前の発見は、水が絹繭に入るのに、内側から外側に入る場合よりもはるかに長い時間がかかることを示しています。 ある意味、細孔の非対称性により、絹繭膜は防水構造になっています9,10,11。 したがって、すべての細孔が水で満たされると、シルク膜には水の勾配が生じ、その結果、電位差が生じます10,11。 この水で満たされた構造に熱を加えると、水は絹膜タンパク質の側鎖とともに分子運動を起こします。 この段階では、ポーラロン様部分とプロトン（H3O+）部分が生成され、絹繭膜の非対称多孔質パイプに沿って電荷キャリアとして機能します10、11、16。 絹の繭膜の固有の低い電位差は、これらのポーラロンのような電荷担体にわずかな方向性を与えます10、11、16。 そこで、電気陰性度の値が異なる非対称電極間に膜を配置することで、追加の電位差を生み出します。 ポーリングスケールを使用して、電気陰性度の値がそれぞれ 1.61 と 1.90 のアルミニウムと銅を選択しました。

しかし、電荷担体をどうやって増やすかという課題はまだ残っています。 電荷キャリア密度によって電流出力が決まります。 そこで、絹繭を塩水溶液に浸すことで電荷担体を強化します。細孔はナトリウム、塩化物イオン、および水分子で満たされます。 現在、このシステムは、イオンの流れを助ける水分子とともに、イオン電荷担体を豊富に含む非対称の絹膜で構成されています。 図 9 は、シルクバイオバッテリーのメカニズムを図でまとめたものです。

蚕繭バイオバッテリーの推定メカニズム。 (a) 繭の写真は、絹繭膜の非対称性を説明するために、繭の明確な内表面と外表面を示しています。 (b) 膜を横切る細孔は、曲がりくねった先細りのチャネルのように見えるように形成されます。 チャネルは内面に向かって狭くなり、外面でより顕著になります。 (c) 水蒸気にさらされると、チャネルが水蒸気を捕捉し、水勾配を作成します。 さらに熱を加えるとタンパク質の側鎖が動き、水分子と相互作用してポーラロン様複合体と H3O+ 種が形成されます。 (d) NaCl の添加により、電荷キャリアの密度が増加し、コンダクタンスが大幅に増加します。

驚いたことに、湿熱に 2 分間さらされると、絹繭膜の表面特性が変化します。 私たちが観察した最初の現象 (表 1) は、電子密度が高く、高エネルギーの炭素種 (C-N、C=C、C=O) が繭の表面に比例的により顕著に露出していることです。 私たちが発見した 2 番目の側面 (表 1) は、ナトリウムイオンと塩化物イオンがマトリックスに浸透するということです。 絹繭系には固有の非対称性があるため、水蒸気にさらされた後のマトリックス内の電荷の移動により非対称な分布が生じます。 おそらく、タンパク質鎖および水と相互作用するイオン種がイオン橋のクラスターを形成し、その結果伝導が強化されると考えられます。

さらに、「水蒸気と乾燥空気」の交互サイクルにより、絹繭膜の非対称多孔質パイプを横切る水分子の急速な移動が引き起こされます。 このプロセスにより、膜が急速に再充電されます。 そうしないと、再充電する前に膜が部分的に乾燥する必要があります。 この新しいシルクバイオバッテリークラスから明らかになる重要な点は、非対称シルク繭膜内の最適な水分濃度、適切な電流を生成するのに十分な電荷担体、および熱によるシステムの迅速な摂動です。

本研究は、絹繭タンパク質膜の電気的特性についていくつかの興味深い側面を明らかにしました。 水蒸気への曝露後のベースラインからの電流の最初の急激な上昇は、タンパク質の半導体のような特徴に似ています。 既知の半導体はほとんどが無機または有機ですが、現在の結果はタンパク質ベースの半導体デバイスの研究の機会を示唆しています。 バイオテクノロジーの進歩により、タンパク質の大規模生産はかなり実現可能な選択肢となっています 17、18、19、20。 将来的には、生分解性、水ベース、フレキシブルエレクトロニクスの産業用途が見つかるかもしれません。

次の観察は、水蒸気にさらされた後のベースライン電流の上向きのシフトです。 膜の伝導率は水蒸気に 2 分間さらされると改善し、膜の伝導状態の変化のように見えます。これは神経ネットワークの長期増強による記憶の獲得にやや似た現象です 21。 湿った膜が臨界点まで熱的に摂動されると、電気活動のカスケードが引き起こされます。 複数回の充放電サイクルは、シルク膜に記憶が組み込まれており、湿気と熱によって活性化することを示唆しています。 本質的には、これは水ベースのサーミスターデバイスです。

ナトリウムイオンと塩化物イオンがタンパク質マトリックスの内部に浸透し、おそらく塩橋を形成すると、コンダクタンスはさらに向上しました。 これらのナノスケールの塩橋は、繭タンパク質を電荷で飛び越えるのに役立ちます。 最も顕著な点は、水蒸気にさらされた NaCl に浸された繭内で電流が持続することです。 これは私たちが初めて観察したことです。繭タンパク質は、湿気や熱に反応して再プログラムされる固体電解質マトリックスのように機能します。

繭バッテリーの急速充電と放電のための「水蒸気 – 乾燥空気」サイクルは、繭の生態からインスピレーションを得ています。 繭は微小生態系の中に留まり、植物の葉が湿った生態系を提供し、同時に太陽光が蒸散を引き起こします。 したがって、熱電対と同様に、繭は低温と高温の状態を経験します。 繭の孔内の最適な水位は、繭内での虫の成長をサポートします。 特に熱帯地方では、蛹が変態後に蝶として羽化する時期は、温度と湿度が高くなります5。 したがって、膜は帯電して蝶に繭から出るように信号を送ります10,12。 私たちはこのアイデアを繭の生物システムから借用し、それを「水蒸気と乾燥空気」の交互サイクルにさらして、長時間にわたって最大電流を引き出しました。 これはある意味「タンパク質熱電対」の一例です。 図 10a ～ 図 10c は、繭の生態学的観点から充放電プロセスを説明しています。

繭の生態。 (a) 日中は、太陽放射により自然からの蒸発散が発生します。 周囲の植物に近いため、湿気は絹繭の微細構造のチャネルに閉じ込められます。 (b) 夜間、気温が下がると、閉じ込められていた水分が繭の細孔内で凝縮します。 (c) 乾燥空気と水蒸気を同時に当てると、繭全体に水の勾配が生じます。 (d) Cocoon は水分を捕らえてグリーン電力に変換する自然な能力を備えているため、AWG デバイスに適した材料となっています。

XPS 分析からの証拠は、電気活動の集中を引き起こすこれらの表面分子イベントのいくつかに光を当てます。 水蒸気は、低エネルギー炭素種 (C-C、C-H) の表面の存在を減らします。 対照的に、電子密度が高く、高エネルギーの炭素種 (C-N、C=C、C=O) は変化せず、おそらく表面電荷ホッピングを強化したと考えられます。

従来のバッテリーと絹繭バイオバッテリーの基本的な違いは、水蒸気で充電することと、天然の絹繭膜の非対称形状を利用することです。 現在までのところ、水蒸気で充電される可能性のあるバッテリーはありません。 大気中の水蒸気は、地球の水循環によって供給される豊富で無限の資源です。 大気中の 3,100 立方マイルは水蒸気です22。 天然に存在するタンパク質界面を使用して水蒸気を利用して発電することが、この研究の発明です。 さらに、海洋の覆いが広いため、NaCl は豊富な資源になります。 現段階では、現在の研究では人造のプロトタイプが報告されています。 将来、この技術が産業規模に応用されると、地球上のすべての豊富な天然資源からグリーン電力を活用できることが期待されます。 この図には、将来のアプリケーションのために提案された回路図が示されています。

淡水の需要を満たすための継続的な探求は、より効率的な大気水生成装置 (AWG) の設計における徹底的な改善に関心を集めています22。 絹繭の非対称な形状、湿気を閉じ込める自然な傾向、および電流を生成する能力は、未来の AWG 開発におけるコンポーネントの革新となる可能性があります (図 10d)。 グリーンマニュファクチャリングにおける技術の進歩により、繭からインスピレーションを得たバイオポリマー構造の設計は、湿気を捕らえる素材の環境に優しいソリューションとなります。 このような構造物から電力を収集するための追加の組み込み機能は、遠隔地、戦略的な場所、およびエンジニアリングの他の多くの未踏の側面でのエネルギー需要を満たす上で非常に重要です。

エネルギーシステムをさまざまな水蒸気放出モジュールと結合する取り組みとは別に、私たちは次の分野にも取り組んでいます。 私たちは現在、食品バイオセンサー用途向けにシステムを微調整し、慢性的な神経学的問題に対する低電流治療のためにシステムを人体と統合しています。 この設計を、大量の水蒸気が凝縮する自動車の排気管と組み合わせています。 本発明のカップリングは、自動車の排気システムから電力を生成するための追加のモードとなる。

現在の研究の限界に関しては、タンパク質分子内の高コンダクタンスを調整する正確な分子事象をまだ調査する必要がある。 それにもかかわらず、最も有望な側面は、今回の発見により、製造におけるバイオデザインの観点を修正する必要があるということです。 現代の製造プロセスは、過剰な温室効果ガスの排出に悩まされています23。 シルクのようなタンパク質を考えると、自然は進化の時間スケールを通じて持続可能な製造ルートを最適化してきました。 自然界の自立型エネルギー収穫および貯蔵システムの宝庫にある他の古典的な例としては、光感受性の葉緑体システムとミトコンドリアの電子輸送鎖があります。 これらのシステムや他の細胞に埋め込まれた多数のタンパク質は、光、熱、振動、匂い、電圧、浸透圧、pH を感知しながら、低強度の湿潤電流を生成します。 これらのタンパク質は、私たちの脳、心臓、筋肉の機能に不可欠なチャネル、ポンプ、細孔です。 生命システムは、生存期間を通じてこれらのタンパク質によって生成される微量の湿った電気に依存しています。 自然は、これらのタンパク質を生産する際の二酸化炭素排出量を最小限に抑えるために、遺伝子および酵素の機構を最適化しました。 しかし、技術的な課題は、機能の完全性を維持しながらこれらのタンパク質を単離することです。 さらに、電流出力をいかに増やすかが課題です。

本研究では、蚕の繭の知能を借ります。 カイコは変態を調整するために、この湿った熱電材料である絹の繭を開発します。 私たちはこの堅牢なタンパク質に組み込まれたインテリジェンスを借りて、その電荷キャリアを増加させます。 その結果は、生物医学およびバイオエレクトロニクス用途向けのタンパク質ベースの半導体、エネルギーデバイス、インキュベーター、薬物担体、およびタンパク質電極の産業規模の開発への有望かつ開かれた道となる。

図を生成し、このレビューの本文をサポートするために使用されたデータは、対応する著者 ([email protected]、[email protected]) に電子メールで送信してリクエストすることで入手できます。

Bhushan、B. バイオミメティクス: 自然からの教訓 - 概要。 フィロス。 トランス。 R. Soc. A 367、445–1486。 https://doi.org/10.1098/rsta.2009.0011 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Benniston, AC & Harriman, A. 人工光合成。 メーター。 今日 11、12 日。 https://doi.org/10.1016/0047-2670(84)85008-X (2008)。

記事 Google Scholar

Strassburg, S.、Zainuddin, S. & Scheibel, T. エネルギー用途におけるシルク技術の力。 上級エネルギーメーター。 11、43。 https://doi.org/10.1002/aenm.202100519 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Trouvelot, L. アメリカの蚕。 午前。 ナット。 1、30–38 (1867)。

記事 Google Scholar

ロイ、M.ら。 絹繭における二酸化炭素ゲート。 Biointerphases 7、1–11 (2012)。

記事 Google Scholar

Kusurkar、TS et al. 「水ガラス-蛍光体フェリー」を使用して蛍光珪藻を生成する蛍光シルク繭。 科学。 議員 3、3290。https://doi.org/10.1038/srep03290 (2013)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

カウル、Ｊ．ら。 蚕繭による光防御。 バイオマクロモル 14、3660–3667 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang, J.、Rajkhowa, R.、Li, J.、Liu, X. & Wang, X. 天然素材としての蚕の繭と断熱構造。 メーター。 デザイン 49、842–849 (2013)。

記事 Google Scholar

Horrocks, NP、Vollrath, F. & Dicko, C. 湿度トラップと防水バリアとしてのカイコガの繭。 コンプ。 生化学。 物理学。 A 164、645–652 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

ブリンダン、T.ら。 絹の繭の膜から電気が発生します。 科学。 議員4、5434。https://doi.org/10.1038/srep05434 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

ブリンダン、T.ら。 人間の髪の毛から電気を採取します。 J.コスメット。 科学。 67、21–36 (2016)。

Google スカラー

ブリンダン、T.ら。 蛹の変態における絹繭膜の光電特性の役割: 天然の太陽電池。 科学。 議員 6、21915。https://doi.org/10.1038/srep21915 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

ロイ、M.ら。 絹繭膜の軟磁性メモリ。 科学。 議員 6、29214。https://doi.org/10.1038/srep29214 (2016)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kirshboim, S. & Ishay, JS スズメバチによって生成されるシルク: 熱光起電力特性 - レビュー。 コンプ。 生化学。 生理。 パートA Mol. 統合します。 生理。 127、1–20 (2000)。

記事 CAS Google Scholar

Ishay, JS & Barenholz-Paniry, V. スズメバチ (Vespa orientalis) の絹の熱電効果とスズメバチの巣の温度調節。 J.昆虫。 生理。 41、753–759 (1995)。

記事 CAS Google Scholar

Kumar、A.ら。 高抵抗天然繊維の水媒介誘電分極率と電子電荷輸送特性。 科学。 議員 8、2726。https://doi.org/10.1038/s41598-018-20313-4 (2018)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

時田有志、半導体デバイスとしてのタンパク質。 (日本シミュレーション技術協会、2012) https://www.jsst.jp/e/JSST2012/extended_abstract/pdf/16.pdf。

時田 裕也 ほかタンパク質光伝導体とフォトダイオード。 アンジュー。 化学。 内部。 エド。 50、11663–11666。 https://doi.org/10.1002/anie.201103341 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

ボスティック、CD 他タンパク質バイオエレクトロニクス: 私たちが行っていることと分かっていないことのレビュー。 プログレ議員。 物理学。 8、026601。https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa85f2 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Cahen, D.、Pecht, I.、Sheves, M. タンパク質ベースの電子伝達接合部から何が学べるか? Ｊ．Ｐｈｙｓ． 化学。 レット。 12、11598–11603。 https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c02446 (2021)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nicoll、RA 長期増強の簡単な歴史。 ニューロン 93、281 ～ 290。 https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.12.015 (2017)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

https://www.asme.org/topics-resources/content/6-innovative-atmospheric-water-generators。

DA 州ラショフおよび DR アフジャ州 地球温暖化に対する温室効果ガス排出の相対的な寄与。 自然 344、529–531。 https://doi.org/10.1038/344529a0 (1990)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

デバイスの製造と補足ビデオ DIY の準備に協力してくれた Bharat Kumar 氏に感謝します。

ナノサイエンステクノロジーセンター、セントラルフロリダ大学、オーランド、フロリダ州、32826、米国

ヒマンシ・ジャンギル

デザイン部門、インド工科大学カンプール校、カンプール、UP、208016、インド

マイナク ダス

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

HJ と MD はアイデアを思いつき、実験を設計し、データを収集し、原稿を書きました。

ヒマンシ・ジャンギルまたはマイナク・ダスへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ S1。

補足ビデオ S2。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Jangir, H.、Das, M. 自発光ケトルと水蒸気パネル用に、水蒸気を燃料とするブラインシルク繭タンパク質バイオバッテリーを設計。 Sci Rep 12、13999 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-18211-x

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 6 月 14 日

受理日: 2022 年 8 月 8 日

公開日: 2022 年 8 月 17 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18211-x

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティ ガイドラインに従うことに同意したことになります。 虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。